〈分析〉一文讀懂:iPad Pro 3D感測新技術-dToF

iPad Pro 3D感測新技術-dToF    (圖片:AFP)
iPad Pro 3D感測新技術-dToF (圖片:AFP)

智慧手機中的 3D 感測功能一直是行動裝置創新的趨勢之一,今年蘋果在最新 iPad Pro 中,蘋果宣布使用 dToF LiDAR 技術,而該技術一在消費性電子產品亮相後,成為整個產業關注焦點。

現階段 3D 感測技術共分三類,分別為立體系統 (兩眼立體成像)、結構光和 ToF,當中以結構光技術最為成熟,已經大規模應用於工業 3D 視覺領域,至於 ToF 則在行動產品市場中最被看好。

ToF 透過衡量發射光與反射光的感應時間落差計算出光源與物體之間的距離。而根據測距的方式不同,目前 ToF 技術又可細分為 iToF (indirect-ToF) 和 dToF(direct-ToF) 兩種。 

(資料來源: 國盛證券) iToF 原理示意圖
(資料來源: 國盛證券) iToF 原理示意圖

iToF 是利用發射特定頻率的光,檢測反射光和發射器之間的位置差距,測量飛行時間。

iToF 間接測量紅外線飛行時間,具備低成本、較高解析度優勢,適用於短距離測距。但因為 iToF 測距距離不能太大,且環境光源會對電路產生干擾,所以目前 iToF 主要應用在手機臉部辨識、手勢辨識等測距距離較短的場景中。  

(資料來源: 國盛證券) dToF 原理示意圖
(資料來源: 國盛證券) dToF 原理示意圖

至於 dToF 則是透過直接向測量物體發射雷射脈衝,並測量反射脈衝和發射器之間的時間間隔,得到光的飛行時間而直接計算待測物體的距離。

而 dToF 和 iToF 的原理主要差別於發射和反射光的不同,dToF 相較於 iToF 來說製作困難度要高上不少,dToF 的困難點在於要檢測的光訊號是一個脈衝訊號,因此檢測器對於光的敏感度要求非常高,常見的 dToF 感測器接收端是使用單光子崩潰二極體 (SPAD),或累崩式光電二極體 (APD)。

SPAD 是 dTOF 技術的核心,技術難度高且製作工藝複雜,目前世界上極少廠商具備量產能力,SONY 與意法是當中主要廠商。

同時 dTOF 要應用在手機等小型消費性電子產品上更為困難,目前一般熱門應用領域在車載 LiDAR 中,而消費電子領域只有蘋果在 iPad 上實現商用。

2020 新款 iPad Pro 搭載 dToF LiDAR 技術,透過這項技術可以使 iPad 取得 3D 空間的「深度」數據,建立更詳細室內空間訊息,模擬出擺放新傢俱後的實際情況。IKEA 的 IKEA Place App,利用 AR 讓居家產品的外觀和在家中的擺放效果直接呈現在消費者眼前。 

資料來源: 蘋果官網
資料來源: 蘋果官網

dTOF 技術的應用可望改善 AR 應用內容,加速 AR 在一般消費市場普及,蘋果在 2017 年便針對開發者推出用於 iOS 上 AR 應用的 ARKit 開發工具,2020 年推出的 iPad Pro 則是在消費性電子裝置中首度搭載 dToF 模組,可視為蘋果針對 5G 時代 AR 領域進一步佈局。

iPad Pro 搭載的 LiDAR,採用 Sony 3 萬像素 10μm dTOF 圖像感測器,SPAD 陣列的感測器,並整合 Lumentum 的 VCSEL 晶片和 TI 的 VCSEL 驅動晶片,能達到 PS 級時間解析度,可實現 5 公尺範圍內的 3D 感測與成像,具備更快的 AR 建構模組速度、更高的測量精準度和更少錯位。 

資料來源: MEMS Consulting
資料來源: MEMS Consulting
 資料來源: MEMS Consulting
資料來源: MEMS Consulting

下一波移動終端創新將圍繞在 AR 技術上,這將會推動 TOF 產業的發展。根據 Yole 預測數據顯示,全球 3D 感測器的市場規模在 2016 至 2022 年間的年複合成長率為 38%,2017 年市場規模 18.3 億美元,2022 年將超過 90 億美元,其中以消費性電子成長最快。而該市場應用規模在 2016 至 2022 年的年複合成長率高達 160%,到 2022 年消費電子市場規模將逾 60 億美元。 

(資料來源: Yole) 3D 感測市場規模
(資料來源: Yole) 3D 感測市場規模

從出貨量來看,智慧手機 3D 感測需求將從 2017 年的 4000 萬隻增加至 2019 年的 2 億隻以上,其中 2019 年的 ToF 機型還只集中在幾款高階旗艦機,但從今年開始 TOF 的出貨量將進一步爆發,佔整體 3D 感測比重有機會升至 40%。

今年蘋果公布新款 iPad Pro 最大亮點就是搭載 dToF 技術的 LiDAR 模組,這勢必先在平板電腦領域掀起一股瘋潮。不過要加速在手機市場的能見度首要先克服如何小型化,一旦能做到適用於手機的輕、薄、短、小後,dToF 需求可望進入起飛期。


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